连字符拉曼- OCT在皮肤癌诊断中的应用

连字符光学技术将不同的测量方式组合在一个仪器中，为进行医疗诊断提供更全面的成套补充信息。这篇文章描述了拉曼光谱(RS)和光学相干断层扫描(OCT)如何组合成一个仪器，在临床环境中提供一个便携式机器，可以非侵入性地描述癌变皮肤病变。OCT提供形态学或结构信息，RS提供生化信息。这两组数据是互补的，因此提供了比任何一种技术单独提供的更全面的诊断手段。该仪器是由美国范德比尔特大学的一个小组开发的。它允许两种类型的测量相对快速和方便的方式，即在适合典型临床环境的时间尺度。通常情况下，人们希望以分钟而不是小时为顺序进行临床测量和分析，以确保患者舒适。

图1:连字符Raman-OCT系统图。

拉曼光谱(RS)提供了组织的化学特征，可以在非侵入性的方式鉴别疾病状态。它已成功地用于区分非黑色素瘤病变(基底细胞癌- BCC和鳞状细胞癌- SCC)从炎症瘢痕组织和正常组织，分类准确率高达95%[2]。RS通常能够提供地面信息，并且需要花费大量的时间才能成功进行测量。因此，它不能在不需要相对较长时间的情况下提供广泛的样本区域(例如5毫米× 5毫米)的数据。时间长一般不适合临床情况。

光学相干层析成像(OCT)是一种提供组织形态信息的高分辨率亚表面成像技术。它可以相对快速(几分钟)提供在组织深度范围内组织特征的位置和方向的微观结构信息。然而，它不能提供关于组织组成的生化信息。OCT图像的解释是困难的，但在皮肤癌的分类方面已经取得了一定的成功。因此，Patil等人[1]的动机是将两种技术结合起来，其中OCT的结构信息也用于指导化学分析的RS测量可以在小的子样品区域最有效地进行

范德比尔特大学Mahadevan-Jansen教授领导的团队使用RS-OCT联合仪器[1]成功区分了BCC与炎症瘢痕组织和正常皮肤。该仪器实时采集OCT图像，可用于指导临床医生找到特定的亚表层特征，其中RS可用于提供特定的化学和生理信息。形态学和化学信息对确保准确诊断皮肤病变有明显的好处。

图2:头部图片。

如图1所示，该仪器由一个安装在机械臂上的RS/OCT移动探头组成。头部主要部件的示意图如图2所示。光纤将探头连接到RS和OCT检测子系统，这些子系统安装在载有控制系统的PC的小车上。一个功率为40 mW、功率为785 nm的二极管激光器作为拉曼激发源。它与RS和OCT采集光学仪器一起包含在探头内。通过两个二向色分束器将OCT入射光束和反射光束共对准，拉曼激发光束与入射(和反射)OCT光束共对准。两者通过物镜直接使用检流计到样品上。检流计扫描OCT光束以获取OCT图像。两个二色镜便于将拉曼激励光束传输到光路中，用于传输和收集返回的拉曼信号。光纤将拉曼信号耦合到高通量光谱仪(HoloSpec 1.8, Kaiser光学系统)中，使用背光源、温差(TE)冷却的深耗尽CCD相机(iDus DU420A-BRDD)作为探测器。

OCT检测子系统采用基于光纤的迈克耳孙干涉仪。它由一个1310 nm, 7 mW光源组成，由一个50/50光纤分配器分成参考光束和样品光束。干扰信号由平衡检测器检测，然后进行数字化处理。OCT系统的轴向分辨率为14µm，可以以8帧/秒(fps)的速度生成15 mm x 2.4 mm(横向x深度)的图像。利用OCT系统可以实现14 μ m的轴向分辨率。聚焦OCT束的横向光斑直径约为25µm。

OCT图像和拉曼数据是顺序采集的，所以当OCT图像被采集后，从中心光轴采集拉曼信号(检流计在这一点停止)。激发光束聚焦到直径约44 ?m的光斑大小。采用二向色镜和长通滤波器(Semrock公司的√截止= 818 nm)将800 - 950 nm区域感兴趣的拉曼信号从瑞利散射和OCT光中分离出来。

图3:系统布局示意图。

采用Labview自定义设计软件界面，实现对整个系统的控制。在操作中，该系统可以在几分钟内提供潜在癌变皮肤切片的扫描，并根据皮肤病变的频率和位置，在大约一个小时内扫描整个病人。

目前诊断皮肤癌的标准是肉眼检查，然后是活检和组织病理学。这个过程可能是侵入性的、主观的、耗时的和昂贵的。Patil等人已经证明了他们的连接RS-OCT系统在临床情况下的成功应用——在本例中用于皮肤癌的体内诊断——在这种情况下，可以在相对较短的时间内获得组织的生化组成和微观结构或形态，并且以一种方便的、非侵入性的方式对病人造成最小的不适。

确认:感谢范德堡大学生物医学工程系Anita Mahadevan-Jansen教授。

引用:

1. 3 .国家自然科学基金青年科学基金项目:拉曼光谱-光学相干层析成像技术在皮肤癌诊断中的应用研究，2012.01 - 2012.12。
2. Lieber CA, Nethercott HE，和Kabeer MH，“通过拉曼光谱揭示正常组织中的癌症场效应”，激光外科和医学40,461-467，(2008)
3. Mogensen M, Joergensen TM, Nurnberg BM, Morsy HA, Thomsen JB, Thrane L, Jemec GBE，“光学相干断层成像在非黑色素瘤皮肤癌和良性病变与正常皮肤诊断中的评估:皮肤科医生和病理学家的观察者-盲评估”，皮肤科外科35,965-972 (2009)